納米材料研發(fā)部開發(fā)納米氮化鋯ZrN可替代貴金屬催化劑
來源：《納米材料技術(shù)與應(yīng)用》2019.10期
近期，納米材料研發(fā)部納米氮化物團(tuán)隊制備出了一種納米氮化鋯（ZrN）顆粒YQ-NG3催化劑，其可以替代甚至超過Pt基催化劑作為堿性環(huán)境中氧還原反應(yīng)（oxygenreduction reaction，ORR）催化劑。
催化劑材料在多數(shù)的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化裝置中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為高效的能量轉(zhuǎn)化保駕護(hù)航。大氣中無處不在的氧氣是一類常見的氧化劑，因此氧還原反應(yīng)（oxygenreductionreaction，ORR）在能源設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛，如燃料電池、金屬-空氣電池等。目前，最常用的ORR催化劑依舊是Pt基催化劑。然而，其昂貴的價格(US$28.3 g-1 as the 2018average price)與稀有性(37ppb in Earth’scrust)，以及在反應(yīng)環(huán)境中的不穩(wěn)定性，都促使相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者努力尋找更合適的非貴金屬類催化劑作為Pt基催化劑的替代品。其中，金屬-N/C類催化劑材料在近十幾年來得到廣泛研究，被認(rèn)為是最有希望替代貴金屬的催化劑材料。但是這類相關(guān)材料的合成成本高、不穩(wěn)定易失活及活性位點少的問題始終困擾著其實際應(yīng)用。金屬氮化物作為一種常見的金屬間隙化合物，由于自身特殊的電子結(jié)構(gòu)和類金屬性質(zhì)，具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力。其耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性都使得該類材料在電化學(xué)催化領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用潛力。
實驗發(fā)現(xiàn)，合成后的納米氮化鋯ZrN納米顆粒（YQ-NG3）具有高的ORR性能，且具有與廣泛使用的Pt/C商業(yè)催化劑相當(dāng)?shù)幕钚浴Ｔ?.1M的KOH溶液中，納米氮化鋯ZrN（YQ-NG3）和商用Pt/C具有相同的半波電勢（E1/2=0.80V），經(jīng)過在1000個循環(huán)后，（YQ-NG3）ZrN（ΔE1/2=-3mV）顯示出比商用Pt/C催化劑（ΔE1/2=-39mV）更高的穩(wěn)定性。此外，在鋅-空氣電池中，（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN顯示出比商用Pt/C催化劑更高的功率密度與穩(wěn)定性。用（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN代替Pt可降低成本并促進(jìn)電化學(xué)能源設(shè)備的使用，并且（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN在其它催化系統(tǒng)也具有潛在的應(yīng)用。
